国际光日 | 光，不止照明，这个“斜杠青年”正重塑世界

日常生活中，当我们谈论“光”时，似乎大多围绕照明展开。打开台灯、点亮屏幕、开启车灯……实际上，脱下照明的外衣，光还展现出惊人的跨界能力。科学家眼中的光，早已开启了“斜杠青年”的硬核模式。

国际光日之际，就让我们去解锁光的四大“斜杠”身份，看它如何照亮人类走向未来的可持续发展之路！

第一重身份

“摄影师”——突破视觉物理极限

当我们的眼睛面临“看不清”的物理极限时，光即刻化身为装备齐全、上天入地的“摄影师”——它既是定格宇宙深空的增距镜，也是丈量大气海洋的CT扫描仪，更是探秘分子结构与生命过程的超级微距镜，帮助人类看清世界的广大与精微。

光能看得极远，拍下深空的图景。例如，在长达4 km的干涉臂中，LIGO科学合作组织利用激光干涉原理成功捕捉到百亿光年外黑洞碰撞产生的微弱引力波^[1]，荣获2017年诺贝尔物理学奖。

光能看得极广，测绘整个地球。在人造卫星上，激光脉冲像CT扫描仪一样，精准测绘出极地冰层的消融与大气的分布。中国科学院上海光机所陈卫标团队攻克了利用星载激光雷达实现窄谱线、高频率稳定二氧化碳观测的世界级难题，精准测绘全球温室气体分布，为全球尺度的“双碳”监管提供核心支撑^[2,3]，登上《光学学报》封面（点击查看：国际首个星载高光谱分辨率激光雷达重要数据亮相丨瞄准“碳”未来：星载激光雷达开启大气环境监测新篇章）。

光能看得极深，穿透涌动的海面。利用光的偏振，我国东海实验室等机构研究人员成功滤除了海面强烈的阳光和水体的强散射噪声，实现海洋水色参数的抗干扰高精度测量^[4]；浙江大学等机构研究人员在南海海试中一举突破140 m的可探测水深，刷新了激光雷达测深国际纪录^[5]。

光能看得极近，深入生命微尘。借助超分辨荧光显微术^[6]与荧光偏振，单分子的空间姿态与动态摇摆，以及蛋白质折叠等微观生命过程，以前所未有的清晰度展现在人类眼前。能看见生命大分子，光还能看见分子间极弱的作用力，北京航空航天大学等团队开发的光子力显微镜，在水溶液中精确测出单纳米颗粒受到的亚飞牛级电磁力，为理解抗原抗体结合等生理机制提供强力工具，入选2024中国光学十大进展。洞察微观之余，光还能定格超快、无形的物理过程。利用纹影成像，研究人员在大型风洞和发动机实验室中清晰定格原本无形的超音速激波^[7]。西北工业大学团队更以超数万赫兹的帧率，瞬时重构发动机尾焰的快变密度分布^[8]，为下一代动力系统中的爆震、超音速、燃烧过程提供光学诊断。

借助纹影成像，高速飞行器产生的超音速激波被清晰定格。（图源：NASA）

光这位“摄影师”不断打破着人类对世界认知的边界。不仅如此，光还能主动出击，颠覆物理法则。

第二重身份

魔术师——转弯、透视、还能隐身

物理课本告诉我们，光沿直线传播，遇到障碍便被截断。实际上，通过光场调控，光已经能转弯、透视和穿越屏障，甚至能伪装成基本物质粒子、隐匿身形，凭空消失。光这位“魔术师”，彻底改变了人类与物理世界的交互方式。

魔术的第一步，是改变自己的行踪，实现光线转弯和瞬移。通过波前和纵向轨迹调控，在自由空间中沿弧线行走、自动避障的艾里光束在十余年前即被成功观测；利用特殊的自成像效应，光无需透镜就能在传播路径上消失、瞬移、再现。然而这仅仅是空间光魔术的热身。

魔术的第二步，是越过不可逾越的屏障，让光透视、穿墙。照射浓雾和低透明生物组织时，光通常会被打碎成散斑。借助高阶统计的光学记忆^[9]，被隐藏的目标能从随机闪烁的散斑中神奇地恢复出来，实现强散射介质成像。在近期一项令人瞩目的演示中，格拉斯哥大学研究团队让一束激光在错综复杂的脑脊液中自动寻找高透通道，首次成功穿透了成年人类的整个头部^[10]。此外，利用光子在墙壁上的漫反射飞行，非视域成像让镜头透视墙角、感知隐藏目标，视觉死角从此无所遁形。

光学斯格明子特殊的扭曲结构，让光束在大气湍流中也能稳定传输而不被打散。（图源：OPTICA）

魔术的第三步，是让光学会伪装，甚至凭空消失。深圳大学、南洋理工大学、上海理工大学等高校的研究人员，经过多年努力，为光穿上了特殊的隐身衣（如光学斯格明子、光学涡环），让它在大气湍流中以基本物质粒子的形态御风而行，免疫环境干扰^[11]，相关成果分别在2019、2022、2025年度多次入选中国光学十大进展与提名（点击查看：中国光学十大进展特邀综述专题封面 | 光学斯格明子，光场调控新领域）。通过对纳米超构表面^[12]和几何相位的精密调控，我国科学家实现了光轨迹的强行扭曲和掩盖，让物体甚至某个事件实现完美的电磁隐身 ^[13]。

光在物理世界中表演着一系列令人眼花缭乱的魔术，而在看不见的数字与信息空间里，它又正在执行一项更为艰巨的任务。

第三重身份

数字“领跑员”——光速信使和算力新引擎

面对传统电学架构在信息传输和人工智能（AI）训练推理中的极限瓶颈，光挺身而出，为未来信息高速公路添砖加瓦、向大模型投喂源源不断的光算力。

在天上，浩瀚太空中的无线通信，正逐步从射频方案转向激光。NASA的深空光通信模块（DSOC）在飞往普绪克小行星途中，从距离地球4.6亿千米外传回了高清的小猫视频^[14]；低轨飞行的小型立方体卫星则以惊人的200 Gbps速率进行海量数据下行，持续两年至今^[15]。“光进电退”的戏码正在深空、临空、低空中全速上演。未来的空天地海一体化网络正逐步用光编织成形。

NASA深空光通信项目正利用激光，将宇宙深处的数据高速传回地球。（图源：NASA）

在地下和海底，光波轻轻旋转，悄然打破有线通信的物理极限。在承载全球主干通信的光纤网络中，带宽曾一度逼近极限。南加州大学、波士顿大学、华中科技大学、中山大学等机构研究人员，让光束像龙卷风一样旋转，使得同一根光纤能互不干扰地并行传输多路旋向的光束，十余年前便将商用光纤容量推向太比特时代。而这一记录，正被近期的拓扑限域光纤^[16]和商用光纤的光量子纠缠分发^[17]持续挑战。

在信息高速公路连接的计算工厂里，光已经开始接管计算任务，为AI训练与推理贡献低碳算力。当AI大算力时代随着硅基摩尔定律的黄昏一同降临，科学家利用全光神经网络，让极其耗能的矩阵运算在光穿过透镜组的瞬间即刻完成。加州大学洛杉矶分校研究人员主导的大规模并行宽带衍射神经网络入选2023年Advanced Photonics主编推荐奖，洛桑联邦理工学院研究人员基于光的非线性变换计算开发新型光学人工神经网络架构入选2024年Advanced Photonics主编推荐奖，清华大学研究人员主导开发光学神经网络全前向训练入选2024中国光学十大进展。

光还拿起了画笔，从AI算力摇身一变成为AI模型本身。同样利用光波干涉，光学生成模型大幅减轻了AI模型训练推理中的庞大算力、电力需求。在毫焦耳级的极低能耗下，顷刻间生成不同风格的梵高与星空^[18]。

在理解、绘制图片之余，光甚至从定制任务走向通用任务，学会了读懂视频。针对大模型中的极限算力与吞吐量需求，清华大学研究团队开发出每秒运算数百万个“万亿次”的光衍射张量计算单元，计算吞吐量超过目前电学处理器最优水平的千倍。一束光穿过，该系统顷刻间便可读懂输入视频内容^[19]。全光计算范式，正为大模型持续馈入低成本的光算力。

高速传输、低碳计算，光在数字世界中孕育着可持续发展的绿色智能。当光摘下信使和算力的面具，释放出自身纯粹的能量时，它又将成为再造能源世界的巧匠。

第四重身份

再造能源世界的巧匠

面对能源枯竭与气候变暖的挑战，光展现出了改变物理世界的惊人能量，点燃人造太阳、排放地球废热，创造来日世界的新能源、新基建。

在惯性约束核聚变实验中，美国国家点火装置（NIF）将192束高能激光精准汇聚，瞬间压缩靶丸，成功实现能量净增益的点火突破，创造出前所未有的极端聚变环境。在这个由光诱发的微型人造太阳中，研究人员在安全条件下让材料暴露于极高通量的热核中子与X射线辐射中，开展前沿的极端环境物质生存观测^[20]。

中国科学院上海光机所朱健强团队深耕高功率超短脉冲激光技术，为神光Ⅱ系列大科学装置打造出一系列拍瓦级激光系统。依托该装置，我国研究人员完成了国际首例间接驱动快点火集成实验，成功观测到聚变反应中子产额的数十倍暴增。人类正以光为途，向终极清洁能源迈出决定性的一步。（点击查看：神光II系列装置高功率超短脉冲激光技术进展）

NIF的巨大靶室，192束强激光在此精准汇聚，触发核聚变。（图源：Nature）

光也能缔造寒冷，成为对抗全球变暖的奇兵，为发烧的地球贴上“散热贴”。加州大学研究团队主导研发出智能辐射制冷热光子学超材料，能将地球表面或宇宙航行器中多余的热量转化为特定红外光，直接排向接近绝对零度的宇宙深空^[21]。将其用于新型屋顶覆层，建筑自身便能根据天气自动调节散热，实现每年家庭省电10%以上^[22]。最近，上海交通大学等机构研究人员联合提出AI驱动的热辐射超材料通用设计方法，为未来建筑零能耗降温与航天热控，提供了全自动批量设计方案，入选2025中国光学十大进展提名奖。

光还是无限动力之源，驱动人类的飞行器向未知的宇宙深处前进。利用高能激光在纳米薄膜上产生的强大辐射压，《银河系漫游指南》中预言的无限动力飞船，正脱离传统化学燃料的沉重束缚，扬起光帆，驶向深空^[23]。

回过头看，今天光的多重身份，早在近七十年前就已经埋下伏笔。1958年，诺贝尔物理学奖得主Max Born在催促《光学原理》书稿时^[24]，略带调侃地询问其共同作者Emil Wolf，“Wolf，这个世界上除了你，还有谁在关注相干理论？” 彼时，连这位量子力学奠基人都不曾预料到，现代光学正是随着这本专著问世而迎来转折。它打破了以往“光=照明”的视角局限，从此解锁了光的多重身份，直到今天。在历代科学家和工程师的探索中，这束古老的光，正以包罗万象的全新姿态，照亮人类通往可持续发展的未来。

对光的探索永无止境，改变世界的光学风暴仍在继续。今年6月，中国激光杂志社诚挚邀请您相聚湖南长沙，参加第二十一届全国激光技术与光电子学学术会议（LTO 2026）。让我们在探讨前沿光学的同时，共同见证光照亮人类可持续发展的未来！

科学编辑 | 戴炜杰

编辑 | 徐睿